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2019-08-01探尋物理新粒子—通往未來的圓形對撞機 596 期

Author 作者 張敬民/清華大學講座教授,研究領域為理論粒子物理學和現象學。

對撞機發現粒子的歷史

高能量對撞機在發現新粒子方面有著悠久的歷史,早在LHC之前,歐洲核子研究中心(Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire, CERN)的SppS對撞機(SppScollider)在1980年代發現W和Z玻色子〔註一〕後,奠定粒子物理標準模型(standard model, SM)〔註二〕的基礎。實際上,標準模型由一組基本粒子、一組規範玻色子(Gauge boson)及粒子之間的相互作用進行描述。

一般而言,物質由費米子(fermion)所組成,而所有的費米子可分為3代,每一代費米子似乎都是彼此重複(圖一)。所有的費米子都是在1970~1980年代被發現,而物理學家也在1995年發現頂夸克。儘管如此,質量的起源與其相關的電弱對稱性破壞(spontaneous symmetry breaking)機制仍然未知。最簡單的選擇就是單個希格斯雙峰,其具有真空期望值以打破電弱對稱性,並使規範玻色子和費米子獲得質量。

然而,在發現頂夸克的10多年後,科學家依舊沒有發現希格斯玻色子(Higgs boson)的任何暗示。在LHC開始之前,物理學家提出各種新模型,例如多維模型、超對稱模型和情景、小希格斯模型及複合希格斯模型等,每個模型在LHC都有非常有趣的預測,科學家希望在LHC的實驗得到驗證。最終,LHC於2010年開始運行。然而,在2011年中期之前並沒有看到任何希格斯玻色子的跡象,這讓許多人對LHC產生許多疑慮。2011年底,透過超環面儀器(A Toroidal LHC ApparatuS, ATLAS)和緊湊緲子線圈(Compact Muon Solenoid, CMS)的實驗,找到一些標量玻色子的暗示,它們衰變成2個最明顯的通道:4個帶電輕子與2個光子。

當時的結果與標準模型的預測有些不同,引發後續許多與標準模型希格斯玻色子不同的推測。直到2012年,當實驗積累更多數據後,標準模型中的希格斯玻色子為實驗數據提供最佳的解釋。接下來幾年,實驗累積越來越多的數據,希格斯特性的精確測量時代就此展開,後續出現尋找電弱對稱破壞機制,並且搜索新物理,幫助理論物理學家找到超出標準模型的新模型的方向。不過出乎意料的是,過去幾年沒有新物理產生的跡象,沒有出現超對稱性與重粒子,甚至新的相互作用也未出現,高能物理似乎進入一個沉寂的時期。然而,科學界需要新物理的跡象才能繼續前進,一些可能性包括以更高亮度運行當前的機器,或者構建更高能量對撞機。

......【更多內容請閱讀科學月刊第596期】